Bài giảng Kiến trúc máy tính: Chương 5 - ĐH Công Nghiệp

Nội dung chương 5 trình bày đến người học những vấn đề liên quan đến "Bộ xử lý trung tâm CPU", cụ thể như: Tổ chức của CPU, hoạt động của chu trình lệnh, đơn vị điều khiển, kỹ thuật đường ống lệnh, cấu trúc bộ xử lý tiên tiến,...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Kiến trúc máy tính: Chương 5 - ĐH Công Nghiệp Chương 5 Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit) Nội dung • Tổ chức của CPU • Hoạt động của chu trình lệnh • Đơn vị điều khiển • Kỹ thuật đường ống lệnh • Cấu trúc bộ xử lý tiên tiến Tổ chức của CPU • Cấu trúc cơ bản của CPU Tổ chức của CPU • Cấu trúc cơ bản của CPU (tiếp) – Đơn vị điều khiển (Control Unit ­ CU): điều khiển hoạt  động của máy tính theo chương trình đã định sẵn. – Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit ­  ALU): thực hiện các phép toán số học và phép toán logic. – Tập thanh ghi (Register File ­ RF): lưu giữ các thông tin  tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU. – Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit ­ BIU): kết nối  và trao đổi thông tin giữa bus bên trong (internal bus) và  bus bên ngoài (external bus). Tổ chức của CPU • Đơn vị số học và luận lý ALU – Thực hiện các phép toán số học và phép toán luận lý: • Số học: Cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo dấu,… • Luận lý: AND, OR, XOR, NOT, phép dịch bit,… Tổ chức của CPU • Đơn vị điều khiển CU – Điều khiển nhận lệnh từ bộ  nhớ đưa vào thanh ghi lệnh – Tăng nội dung của PC để trỏ  sang lệnh kế tiếp – Giải mã lệnh đã được nhận để  xác định thao tác mà lệnh yêu  cầu – Phát ra các tín hiệu điều khiển  thực hiện lệnh – Nhận các tín hiệu yêu cầu từ  bus hệ thống và đáp ứng với  các yêu cầu đó. Tổ chức của CPU • Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển – Clock: tín hiệu xung nhịp từ mạch tạo dao động bên  ngoài. – Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến để giải mã. – Các cờ từ thanh ghi cờ cho biết trạng thái của CPU. – Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển • Các tín hiệu phát ra từ đơn vị điều khiển – Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU: • Điều khiển các thanh ghi • Điều khiển ALU – Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU: • Điều khiển bộ nhớ • Điều khiển các mô­đun nhập xuất Hoạt động của chu trình lệnh • Chu trình lệnh – Nhận lệnh (Fetch Instruction ­ FI) – Giải mã lệnh (Decode Instruction ­ DI) – Nhận toán hạng (Fetch Operands ­ FO) – Thực hiện lệnh (Execute Instruction ­ EI) – Cất toán hạng (Write Operands ­ WO) – Ngắt (Interrupt Instruction ­ II) Hoạt động của chu trình lệnh • Chu trình lệnh (tiếp) Hoạt động của chu trình lệnh • Nhận lệnh (Fetch) – CPU đưa địa chỉ của lệnh  cần nhận từ bộ đếm  chương trình PC ra bus  địa chỉ – CPU phát tín hiệu điều  khiển đọc bộ nhớ  – Lệnh từ bộ nhớ được đặt  lên bus dữ liệu và được  CPU chép vào thanh ghi  lệnh IR – CPU tăng nội dung PC để  trỏ sang lệnh kế tiếp Hoạt động của chu trình lệnh • Giải mã lệnh (Decode) – Lệnh từ thanh ghi lệnh IR được đưa đến đơn vị điều  khiển – Đơn vị điều khiển tiến hành giải mã lệnh để xác  định thao tác phải thực hiện – Giải mã lệnh xảy ra bên trong CPU • Nhận dữ liệu (Fetch Operand) – CPU đưa địa chỉ của toán hạng ra bus địa chỉ – CPU phát tín hiệu điều khiển đọc – Toán hạng được đọc vào CPU – Tương tự như nhận lệnh Hoạt động của chu trình lệnh • Nhận dữ liệu gián tiếp – CPU đưa địa chỉ ra bus địa chỉ – CPU phát tín hiệu điều khiển  đọc – Nội dung ngăn nhớ được đọc  vào CPU, đó chính là địa chỉ  của toán hạng – Địa chỉ này được CPU phát ra  bus địa chỉ để tìm ra toán  hạng – CPU phát tín hiệu điều khiển  đọc – Toán hạng được đọc vào  CPU Hoạt động của chu trình lệnh • Thực hiện lệnh (Execute) – Có nhiều dạng tuỳ thuộc vào lệnh – Có thể là: • Đọc/Ghi bộ nhớ • Nhập/ xuất • Chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi với nhau • Chuyển dữ liệu giữa thanh ghi và bộ nhớ • Thao tác số học/logic • Chuyển điều khiển (rẽ nhánh) • Ngắt • ... Hoạt động của chu trình lệnh • Ghi toán hạng (Write) – CPU đưa địa chỉ ra bus  địa chỉ – CPU đưa dữ liệu cần  ghi ra bus dữ liệu – CPU phát tín hiệu  điều khiển ghi – Dữ liệu trên bus dữ  liệu được chép đến vị  trí xác định Hoạt động của chu trình lệnh • Ngắt (Interrupt) – Nội dung của bộ đếm chương trình PC (địa chỉ  trở về sau khi ngắt) được đưa ra bus dữ liệu – CPU đưa địa chỉ (thường được lấy từ con trỏ  ngăn xếp SP) ra bus địa chỉ – CPU phát tín hiệu điều khiển ghi bộ nhớ – Địa chỉ trở về trên bus dữ liệu được ghi ra vị trí  xác định (ở ngăn xếp) – Địa chỉ lệnh đầu tiên của chương trình con điều  khiển ngắt được nạp vào PC Hoạt động của chu trình lệnh • Ngắt (tiếp) Đơn vị điều khiển • Gồm 2 loại: – Đơn vị điều khiển vi chương trình (Microprogrammed Control Unit) – Đơn vị điều khiển phần cứng (Hardwired Control Unit) Đơn vị điều khiển • Đơn vị điều khiển vi  chương trình – Bộ nhớ vi chương trình  Mạch (ROM) lưu trữ các vi  tuần tự chương trình  (microprogram) – Một vi chương trình bao  gồm các vi lệnh  (microinstruction) – Mỗi vi lệnh mã hoá cho một  vi thao tác (microoperation) – Để hoàn thành một lệnh cần  thực hiện một hoặc một vài  vi chương trình – Tốc độ chậm Đơn vị điều khiển • Đơn vị điều khiển  phần cứng – Sử dụng vi mạch  phần cứng để giải  mã và tạo các tín  hiệu điều khiển  thực hiện lệnh – Tốc độ nhanh – Đơn vị điều khiển  phức tạp Kỹ thuật đường ống lệnh • Khái niệm – Mỗi chu trình lệnh cần thực hiện bằng nhiều thao  tác – Kỹ thuật đơn hướng (Scalar): Thực hiện tuần tự  từng thao tác cho mỗi lệnh  chậm – Kỹ thuật đường ống (Pipeline): Thực hiện song song  các thao tác cho nhiều lệnh đồng thời  nhanh hơn – Ví dụ chu trình 1 lệnh gồm 5 bước: • Nhận lệnh (I) • Giải mã lệnh (D) • Nhận toán hạng (F) • ...